船舶主機選型對EEDI的影響

大連海事大學輪機工程學院 張躍文 達 勇 鄒永久 王德春

船舶主機選型對EEDI的影響

大連海事大學輪機工程學院 張躍文 達 勇 鄒永久 王德春

船舶能效設計指數（EEDI）是衡量船舶CO2排放水平的指標，其實施后對船舶設計、建造提出了更高的要求。以82 000 DWT散貨船為例，從船舶動力裝置設計的角度，計算分析柴油機“功率儲備”、“減額輸出”、“電控技術”及“螺旋槳直徑”等選型因素對船舶EEDI指數產生的影響，為船舶動力裝置設計、選型提供參考和指導。

船舶柴油機；船舶能效設計指數；船舶設計；主機選型；EEDI

航運業在貿易全球化的進程中扮演著重要的角色，就單位載貨CO2排放量來說，船舶運輸較航空、鐵路的運輸方式有較大的優勢，但船舶承載著全球90%的運輸量，數量眾多，且單船功率較大，因此其產生的CO2排放量和所消耗能源總量不容小覷。[1，2]2011年7月11日至15日，國際海事組織（IMO）召開海上環境保護委員會（MEPC）第62屆會議通過了MARPOL公約附則VI有關船舶能效規則的修正案。這是第一個專門針對國際海運溫室氣體減排的強制性法律文件。修正案對船舶能效設計指數（EEDI）值作出了具體規定，還要求船舶經營人在船上配備船舶能效管理計劃（SEEMP）。修正案已于2013年1月1日生效。EEDI的強制性執行，對船舶設計和建造提出了更高要求。本文從占整個船舶能耗80%以上的動力裝置設計的角度出發，分析船舶主機選型過程中各種因素對EEDI指數所造成的影響，為船舶設計、動力裝置選型提供參考。

一、船舶能效設計指數（EEDI）計算

船舶能效設計指數（EEDI）可以簡單理解為船舶設計單位載貨每海里的CO2排放量。該CO2排放量是船舶在最大載貨和規定功率下的航速運行時，扣除因各種節能創新技術而節約的燃料后，由船舶各機電設備所消耗的燃油量轉化而來的，與船舶燃料消耗率、主機功率、船舶航速和載重量等四個因素直接相關。圖1表示船舶機艙功率的分配布置，其中虛線表示的部分為EEDI計算時所需要的功率，主要分為推進功率（軸功率）和副機功率兩大部分。推進功率部分包括主機功率PME、軸馬達（柴油機-電力推進）功率PPTI，及消耗軸功率的軸帶發電機功率PPTO。[3]

根據MEPC第63屆會議頒布的新造船能效設計指數計算方法，EEDI計算公式如下：

其中：CF為CO2無量綱轉化系數；Vref為船舶航速，單位Kn；Capacity為船舶最大載重噸；P為功率，單位kW；SFC為發動機核定的燃油消耗率；fj為修正船舶特殊性設計的無量綱系數；fw為船舶失速系數；feff(i)為新型節能技術可用性的無量綱系數；fi為考慮船舶因技術或法規對Capacity有所限制的無量綱修正系數。利用該計算方法，對目前市場上比較熱門的綠色Dolphin系列散貨船型（38.8K、64K和82K）進行EEDI計算分析，[4-6]如圖2所示。

圖1 船舶能效設計指數所涉及的功率圖

圖2 三種散貨船型EEDI指數

三種綠色Dolphin系列散貨船（38.8K、64K和82K）均能滿足現階段EEDI基線的要求，而且載重量越大的船舶，其EEDI指數越小；載重量越小的船舶越容易滿足要求，如64K散貨船剛剛滿足Phase3要求，而82K散貨船僅滿足Phase2。因此隨著船舶大型化的發展趨勢，如果想要滿足越來越嚴格的EEDI基線要求，仍然需要更多的優化設計應用于船舶上。本文僅從動力裝置設計、選型的角度討論提高船舶能效水平的方法。

二、船舶主機選型對EEDI的影響

對于同一種船型，在滿足其設計要求的航速和功率時，可以選擇不同型號的主機，而不同的主機選型對應著不同的有效功率、燃油消耗率（SFOC）及螺旋槳參數，這勢必會引起EEDI值的變化。本文以82 000 DWT散貨船為研究對象，其在設計吃水（d=12.2 m）下，主機常用服務功率CSR點功率轉速為7 472 kW×83.2 r/min，海況儲備保留15%，服務航速14.3 kn。針對該功率輸出點，選取市場上82 000 DWT散貨船常用的4種機型，利用MAN B&W和瓦錫蘭公司所給的主機選型區域，并根據等航速線公式，[6，7]做常用主機選型區域圖，如圖3所示。圖中四個梯形（或四邊形）區域分別為6S60MC-C8.2、5S60MC-C8.2、5RT-flex58T-D、7S50MC-C8.2等機型的選型區域，兩條直線分別為滿足10%和25%海況功率儲備的主機約定最大持續功率SMCR或CMCR的等航速線。從中可以看出，以上四種機型都能滿足設計船舶的主機功率的需要。根據所選擇的功率點，在調整相應的螺旋槳參數的前提下，研究了不同的主機選型對船舶能效設計指數EEDI產生的影響情況，其具體計算結果如表1所示。

由表1計算結果可以看出，不同的主機選型對最終整艘船舶的能效設計指數EEDI產生的影響程度不同，如選5S60MC-C8.2和7S50MC-C8.2，由于較小缸徑的主機在維持相同航速的情況下，轉速較高，螺旋槳直徑較小，推進效率較低，需要的主機功率較高，導致EEDI值相比于5S60MC-C8.2機型要高6.61%左右；如選5S60MC-C8.2和5RT-flex58TD，其額定功率SMCR點相同，但由于5RT-flex58TD為電控柴油機，有較低的穩定轉速和燃油消耗率，因而EEDI值要比5S60MC-C8.2低1.80%左右。而不同的主機功率儲備對EEDI造成的影響更大，具體分析如下。

圖3 82 000 DWT散貨船常用主機型號選型區域

表1 主機選型對EEDI值的影響

1.“功率儲備”對EEDI的影響

隨著船舶使用年限增加，船體污損、海生物附著及螺旋槳污損等情況會使船舶阻力較設計初始有所增加，為了使船舶在該種情況下仍能保持設定航速，設計階段對主機要留有一定的功率儲備。從表1的計算結果可以看出，5S60MC-C8.2和6S60MCC8.2二者的持續運行功率點CSR相同，但5S60MCC8.2主機功率儲備為10%，6S60MC主機功率儲備為25%，由表中計算數據可以看出，“功率儲備”相差15%時，其EEDI值要比功率儲備小的主機高18.02%左右，這主要是因為主機的閑置功率過大，在EEDI工況下的功率值較大所致。

2. 主機“減額輸出”對EEDI的影響

“減額輸出”是目前較實用的柴油機節能降耗有效措施之一，各大柴油機生產廠家均推出這種實用的節能技術，即通過降低SMCR點的平均有效壓力，使最大爆發壓力與平均有效壓力比值升高，增大比值以提高柴油機的熱效率，降低燃油消耗率。表2是82 000 DWT散貨船在25%主機功率儲備下的主機選型，二者主機“減額輸出”不同。

由表2計算結果可以看出，“減額輸出”大的主機，即6S60MC-C8.2，其EEDI值要比“減額輸出”小的主機5S60MC-C8.2低2.63%左右，這是因為“減額輸出”減少了主機燃油消耗率，從而使EEDI值降低。

表2 主機減額輸出對EEDI值的影響

3. 電控柴油機對EEDI的影響

電控柴油機通過電子控制燃油噴射、滑油注射及廢氣排放，取代了傳統的機械式控制，簡化了柴油機結構并提高可靠性。雖然電控柴油機和機械柴油機在MCR點有相同的燃油消耗率，但電控柴油機由于可以電子控制燃油噴射和廢氣排放，可以在部分負荷下調整噴油規律至最佳，因而在全功率范圍內有更低的燃油和滑油消耗量。

圖4是S60機MC與ME機型燃油消耗率對比曲線，可見ME機型在低負荷區域內性能更優越。

表3為64 000 DWT和82 000 DWT兩種船型分別選取的MC和ME機型時EEDI計算結果。由該表計算結果可以看出，ME機型相對于傳統的MC機型，由于其在EEDI工況下有更低的燃油消耗率，故其EEDI值平均提高了2.45%左右。

圖4 MAN B&W S60機MC與ME機型燃油消耗率對比曲線

表3 電控柴油機對EEDI指數的影響研究

4. 螺旋槳直徑對EEDI的影響

通常情況下，在設計航速一定和螺旋槳的螺距比同為最優的前提下，增大螺旋槳的直徑，可降低螺旋槳的轉速，提高其效率，進而可減少主機功率的消耗。根據文獻[8]可知，船舶螺旋槳直徑可由下列公式近似估算：

其中：nM為SMCR點轉速，r/min；Dprop為螺旋槳直徑，m；PM為SMCR點功率，kW；C為常數，取決于螺旋槳葉數。

根據上述公式，定量分析不同螺旋槳直徑對主機SMCR點的影響，如圖5所示。計算出不同螺旋槳直徑對船舶EEDI值的影響，見表4。

圖5 82 000 DWT散貨船不同槳徑隨對應的主機功率輸出

表4 螺旋槳直徑對EEDI的影響

由表4計算結果可以看出，在船舶航速相同的前提下，隨著螺旋槳直徑的增大，主機SMCR點的功率隨之減小，螺旋槳的直徑平均每增加0.2 m，船舶的EEDI值降低1.05%。

三、結論

船舶動力裝置作為船舶的“心臟”，其性能的好壞將直接影響整艘船舶。本文以82 000 DWT散貨船為例，對船舶動力主機選型過程中的各個影響因素對船舶EEDI產生的影響進行計算分析，結果表明，柴油機“功率儲備” “減額輸出”“電控技術”及“螺旋槳直徑”等四個因素對EEDI值分別產生18.02%、2.63%、2.45%和1.05%左右的影響，“功率儲備”增大、“減額輸出”降低、“螺旋槳直徑”減小均會增加船舶EEDI值。但考慮船舶安全性、初始投資及技術限制等因素，上述各參數在設計時均受到一定約束，所以船舶主動力裝置設計選型應在綜合考慮各種約束的基礎上，適當調整上述參數，以提高整船的能效水平。

[1]諸琳.對新造船能效設計指數的思考[J].船舶工程,2012(1): 29-31.

[2]楊昺崧,孫培廷,黃連中,等.風翼助航船舶的能效設計指數[J].大連海事大學學報,2011(4):39-40.

[3]2012 Guidelines on the method of calculation of the attained energy efficiency design index (EEDI) for new ships [R].Resolution MEPC 212(63),2 March 2012.

[4]Resolution MEPC.212(63).2012 Guidelines on The Method of Calculation of The Attained Energy Efficiency Design Index (EEDI) for New Ships[S].London:IMO,2012.

[5]楊世知,范強,周逸民.船舶能效設計指數解讀及溫室氣體減排措施分析[J].船海工程,2012(6):1-5.

[6]胡瓊,徐杰,陳文煒.某散貨船的EEDI試航驗證評估[J].中國造船,2013(2):69-76.

[7]彭傳圣,李慶祥.船舶能效設計指數及其影響[J].航海技術, 2010(5):46-48.

[8]John Larkin(M).Influence of Design Parameters on the Energy Efficiency Design Index (EEDI) [S].February,2010.

10.16176/j.cnki.21-1284.2015.11.009